Термокомпенсація та термостатування як метод зниження дрейфу нуля підсилювачів постійного струму. Необхідність пониження потенціалу електродів підсилюючих елементів в підсилювачах постійного струму.

Зменшення величини дрейфу нуля досягається використанням таких заходів:

1. Термостабілізація.

2. Термокомпенсація.

3. Введення загального від’ємного ОЗ.

4. Використання диференційних (різницевих) схем.

5. Використання схем з перетворенням сигналу.

 

 

Методи пониження дрейфу нуля підсилювача.

Термостабілізація

Стабілізація температури забезпечується використанням термостатів. При цьому розрізняють 2 випадки:

а) активне термостатування;

б) пасивне термостатування.

Пасивне термостатування означає, що схему розміщують у середині теплоізолюючої оболонки. При цьому вдається забезпечити згладжування швидких змін температури. Проте повільні зміни температури будуть впливати на параметри підсилювача. Більш ефективним, але дорожчим є використання активного термостата. На структурному рівні узагальнена схема активного термостата може мати вигляд, наведений на рис. 89.

 

 

Рис. 89. Узагальнена схема активного термостата: ДТ – давач температури – дає інформацію про абсолютну температуру; ЗТ – задавач температури – як правило, це електронний пристрій, з допомогою якого задається необхідна температура; ДП – диференційний підсилювач; ПП – підсилювач потужності; Н – нагрівник.

 

Дещо нижчі метрологічні характеристики, при відносній дешевизні, забезпечують позисторні термостати. Принцип роботи цих термостатів полягає в тому, що в них як нагрівник використовується кераміка, що має в певному температурному інтервалі високий додатний температурний коефіцієнт опору. Графік температурної залежності питомого опору для матеріалу Ва_1-хСе_хТіО₃, з якого зроблений позисторний термостат, наведений на рис. 90.

Рис. 90

Вважатимемо, що нагрівник термостата живиться від стабілізованого джерела напруги U = const. Потужність, що розсіюється на нагрівнику, буде залежати від його опору, оскільки P=U²/R. При даній температурі навколишнього середовища і електричній потужності, що підводиться, нагрівник нагріється до температури:

,

де Р – енергія, яка розсіюється нагрівником у навколишнє середовище у стані термодинамічної рівноваги, рівна електричній потужності; Н – коефіцієнт, який характеризує теплообмін між навколишнім середовищем і термостатом; Т_т – температура термостата; Т_НС – температура довкілля.

Зростання температури навколишнього середовища практично не впливає на Н, але приводить до зростання опору нагрівника. Ріст опору нагрівника спричинює зменшення величини електричної потужності Р^¢, яка розсіюється. Нове значення температури нагрівника дорівнюватиме:

.

Приріст температури нагрівника, внаслідок зміни температури навколишнього середовища, дорівнює

або ,

де

; при R’>R, то DР<0.

Отже, зміна температури нагрівника буде меншою від зміни температури навколишнього середовища на величину DР/Н, яка згідно з рис. 90, може мати значну величину.

Для позисторних термостатів величина коефіцієнта термостабілізації виражається формулою:

k_t = 1 + a (Т_т – Т_НС),

де a – температурний коефіцієнт опору.

 

Під коефіцієнтом температурної стабілізації розуміється величина, яка показує, в скільки разів ΔТ_НС перевищує ΔТ_т:

.

Для однокаскадного термостата, при ΔТ_НС = 60°С, ΔТ_т = 8°С.

Рис. 91. Позисторний термостат:

1 – нагрівник, 2 – електроди, 3 – теплоізоляція

 

Величину коефіцієнта термостабілізації можна збільшити до 20¸24, використавши двокаскадний термостат (термостат у термостаті). Збільшення коефіцієнта термостабілізації може досягатись і при використанні теплоізолюючої оболонки нагрівника із зростаючою, при підвищенні температури, величиною теплопровідності. Коефіцієнт термостабілізації в цьому випадку розраховується за формулою:

,

де l - коефіцієнт теплопровідності.

Термокомпенсація

Введення термокомпенсуючого елемента вимагає проведення попередніх досліджень температурного дрейфу нуля даної електричної схеми. При цьому необхідно визначити оптимальну точку схеми, в яку необхідно ввести елемент із заданими температурними характеристиками.

Недолік даного методу полягає в тому, що елемент термокомпенсації ефективно виконує свою функцію лише в певному температурному діапазоні, за межами якого термокомпенсуючий елемент погіршує характеристики підсилювача.

 

Рис. 85

 

У даному випадку джерело підсилювального сигналу ввімкнено в діагональ моста, для якого справедлива рівність:

 

.

У цьому випадку потенціал точки з’єднання резисторів R₃ і R₄ і заданий режим роботи, не будуть змінюватись при зміні внутрішнього опору джерела сигналу.

Недолік, що проявляється в даній схемі, полягає в підвищенні потенціалів електродів другого транзистора у порівнянні з потенціалами першого транзистора. Припустивши, що транзистори працюють в одному і тому самому режимі (як правило, режим А), ми отримаємо величини напруг електродів VT2 більшими від величин напруг електродів VT1 при однакових величинах різниць напруг між електродами одного транзистора. Тобто необхідно забезпечити однакові зміщення між базами та емітерами для обох транзисторів (U_бе1 =U_бе2), хоча напруги на базових електродах відносно загального провідника різні (U_б1 < U_б2):

U_б1 = U_бе1 + U_R6,

a U_б2 = U₁ = U_ке1 + U_R6.

Взявши до уваги, що:

U_ке1 > U_бе1,

отримаємо, що напруга бази другого транзистора більша, принаймні рівна, напрузі бази першого транзистора.

Зростання потенціалів електродів VT2 з необхідністю супроводжується збільшенням величини R₈ та зменшенням R₇. Перше приводить до зростання глибини оберненого зв’язку, а отже зменшення коефіцієнта підсилення. Ця тенденція підсилюється зменшенням опору R₇, яким визначається коефіцієнт підсилення. У зв’язку з цим не раціонально використовувати, в рамках даного схемотехнічного рішення, більше ніж три каскади.

З метою збільшення кількості каскадів підсилення у схему підсилювача з гальванічними зв’язками необхідно ввести пристрої пониження потенціалу. Найпростіший спосіб – це використання резистивного дільника напруги. Проте в даному випадку буде зменшуватись і корисний сигнал.

Найбільш ефективне використання додаткового джерела напруги має місце в схемі, представленій на рис. 86:

Рис. 86

Видно, що в даному випадку величина U₂ буде меншою від U₁ на величину Е:

U₂ = U₁ – Е

Як зміщуючий елемент можна використати стабілітрон, величина напруги стабілізації якого і буде задавати напругу зміщення.

Значно більша ефективність пониження потенціалу забезпечується при використанні транзисторів протилежного типу провідності (рис.87.).

Рис. 87

 

У даному випадку спад напруги на R₄ дорівнює:

 

U_R4 = U₁ – U_бк2 – U_бе3.

 

Як правило, U_бк співрозмірна із U_ке. Отже,

U_бк2 ~ U_ке1.

Враховуючи, що U_бе менше U_бк та U_ке, маємо підстави вважати напругу U_e3 якщо не меншою U_e1, то принаймні співрозмірною з нею. Тобто введення транзистора VT2 практично повністю компенсує підвищення потенціалів електродів VT3.

У випадку польових транзисторів ця схема має дещо простіший вигляд (рис. 88).

Рис. 88